La crittografia a curve elittiche e applicazioni

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1 La crittografia a curve elittiche e applicazioni Dott. Emanuele Bellini Torino Crittografia a chiave pubblica: oltre RSA Università degli Studi di Trento, Lab di Matematica Industriale e Crittografia 13 Maggio 2011

2 1 Curve Ellittiche Definizioni Legge di gruppo Ordine di un punto Index 2 Crittografia con Curve Ellittiche Applicazioni del Logaritmo Discreto 3 Attacchi Attacchi generici Attacchi specifici 4 Scelta della curva Sicurezza ed efficienza Procedure di scelta dei parametri 5 Applicazioni di ECC Smart Card, Internet,...

3 1. LE CURVE ELLITTICHE

4 ... Cosa sono? Siano K un campo e f : K K K una funzione della forma dove f (x, y) = y 2 + a 1 xy + a 3 y 2 x 3 a 2 x 2 a 4 x a 6 a 1,..., a 6, x, y K f è non singolare Definition Una curva ellittica E su un campo K, che denoteremo con E/K, o semplicemente con E, è l insieme dei punti (x, y) K 2 che soddisfano l equazione f (x, y) = 0, più un punto O che chiameremo punto all infinito. Se K è finito, allora E ha un numero finito di punti E.

5 = Dato un campo K... Curva Ellittica E: insieme delle soluzioni di f (x, y) = 0 + punto all infinito O

6 Curve singolari Evitare curve in cui la tangente a qualche punto non è ben definita

7 Un punto P = (x, y), con x, y K si dice punto singolare se f f (P) = (P) = 0. x y CURVA NON SINGOLARE = curva senza punti singolari

8 Legge di gruppo SOMMA (P Q) E curva ellittica; O punto all infinito su E; P, Q E;

9 Legge di gruppo SOMMA (P Q) E curva ellittica; O punto all infinito su E; P, Q E; L retta che congiunge P con Q; R terzo punto di intersezione di E con L;

10 Legge di gruppo SOMMA (P Q) E curva ellittica; O punto all infinito su E; P, Q E; L retta che congiunge P con Q; R terzo punto di intersezione di E con L; L retta passante per R ed il punto all infinito O; R terzo punto di intersezione tra E ed L ;

11 Legge di gruppo SOMMA (P Q) E curva ellittica; O punto all infinito su E; P, Q E; L retta che congiunge P con Q; R terzo punto di intersezione di E con L; L retta passante per R ed il punto all infinito O; R terzo punto di intersezione tra E ed L ; = R è la somma P Q.

12 Legge di gruppo RADDOPPIO (2P) Se P = Q...

13 Legge di gruppo RADDOPPIO (2P) Se P = Q... L = tangente alla curva in P R punto di intersezione di E con L;

14 Legge di gruppo RADDOPPIO (2P) Se P = Q... L = tangente alla curva in P R punto di intersezione di E con L; L retta passante per R e il punto all infinito O; R terzo punto di intersezione tra E ed L

15 Legge di gruppo RADDOPPIO (2P) Se P = Q... L = tangente alla curva in P R punto di intersezione di E con L; L retta passante per R e il punto all infinito O; R terzo punto di intersezione tra E ed L = R è il raddoppio 2P.

16 Legge di gruppo Teorema Una curva ellittica E non singolare è un gruppo abeliano rispetto all operazione, con elemento neutro O. = I sottogruppi ciclici di E sono usati per i sistemi ECC (Elliptic Curve Cryptography)

17 Moltiplicazione scalare h N: h = 0: 0P = O h : E E P = (x, y) = (x, y) h < 0: hp = ( h)( P) P hp = P P... P } {{ } h

18 Ordine di un punto/ordine della curva L ordine N di P E è il più piccolo intero positivo, se esiste, t.c. NP = O Se tale N non esiste = P ha ordine infinito L ordine E della curva E (su F q ) è il numero di punti razionali su F q che appartengono ad E. q q E q q

19 Due categorie di curve E curva ellittica su F q, char(f q ) = p 1 se E 1 mod p = CURVA SUPERSINGOLARE 2 altrimenti = CURVA ORDINARIA

20 2. LA CRITTOGRAFIA A CURVE ELLITTICHE (ECC)

21 Scopi della Crittografia a Chiave Pubblica I cifrari a chiave pubblica servono per: SCOPO Scambio della chiave Scambio di un messaggio Firma di un messaggio CIFRARIO UTILIZZATO ECDH, ECMQV ECIES ECDSA La sicurezza dei cifrari su curve ellittiche si basa sulla difficoltà di risolvere il problema del Logaritmo Discreto sul gruppo formato dai punti di una curva ellittica (ECDLP).

22 Il problema del logaritmo discreto su curva ellittica (ECDLP) Dati... E = E/F q P E di ordine N Q = hp per qualche h trovare l intero h {0,..., N 1} t.c. Q = hp = h = log P Q (LOGARITMO DISCRETO DI Q IN BASE P)

23 Scambio della chiave: Solo Alice conosce a Solo Bob conosce b Diffie-Hellman su curva ellittica (ECDH) Informazioni pubbliche: Tutti conoscono E, P, il suo ordine N, ap e bp (chiavi pubbliche) ap bp = Chiave segreta comune: abp = a(bp) = b(ap)

24 Scambio della chiave: Menezes-Qu-Vanstone (ECMQV) L Elliptic Curve Menezes-Qu-Vanston è un protocollo di autenticazione basato sullo schema di Diffie-Hellman.

25 Scambio di un messaggio: Integrated Encryption Scheme (ECIES) L Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme è uno schema di crittazione con autenticazione, basato sul problema di Diffie-Hellman. Offre solo sicurezza semantica (avversario passivo). Richiede l utilizzo di KDF (Key Derivation Function), di un MAC (Message Autentication Code) e di un sistema di crittazione simmetrica.

26 Firma di un messaggio: algoritmo di firma digitale (ECDSA) La firma digitale consente al titolare tramite la chiave privata e al destinatario tramite la chiave pubblica, rispettivamente, di rendere manifesta e di verificare la provenienza e l integrità di un documento informatico. ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm) è un algoritmo basato su Diffie-Hellman. Richiede l utilizzo di una funzione di Hash. E corretto nel senso che chi verifica accetta solo messaggi firmati correttamente.

27 3. ATTACCHI

28 Possibili attacchi Attacchi possibili all ECDLP Attacchi generici: Pollard ρ Baby step-giant step Silver-Pohlig-Hellman Attacchi specifici: MOV curve anomale

29 Parametro di complessità Per confrontare gli attacchi tra loro utilizziamo un parametro di complessità, indicato in blu n = log 2 N La cui sicurezza reale sarà invece indicata in verde, sempre con la lettera n. 2 n è il numero di operazioni elementari per rompere un cifrario con chiave di lunghezza n, quindi avremo sempre che n n.

30 Il metodo ρ di Pollard Siano P, Q E con P di ordine N e tali che h P = Q. Idea: trovare 4 interi n 1, n 2, n 3, n 4 tali che n 1 P + n 2 Q = n 3 P + n 4 Q In questo modo h = (n 1 n 3 )/(n 4 n 2 ) mod N. I quattro interi vanno cercati tramite un cammino pseudorandom in < P >, che termina in O( N) con probabilità del 50% ( Paradosso dei Compleanni ). CONTROMISURA: Scegliere N in modo che N sia un numero intrattabile di calcoli. COSTO: N = log N = 2 n/2 = 2 n n = n/2

31 Il metodo ρ di Pollard Sia E una curva ellittica, e siano A e B tali che ha = B. Tramite una funzione pseudorandom f : E E e due funzioni g, j : E Z Z, è possibile effettuare un cammino pseudorandom in < P >: 1 a 0 = 0, b 0 = 0, P 0 = 0 2 P i = f (P i 1 ), a i = g(p i 1, a i 1 ), b i = j(p i 1, b i 1 ) f P3 f P4 f 3 P 2i = f (f (P i 1 )), a 2i = g(f (P 2i 2 ), g(p 2i 2, a 2i 2 )), b 2i = j(f (P 2i 2 ), j(p 2i 2, b 2i 2 )) P2 f f P5 4 se P i = P 2i allora abbiamo vinto (se b i b 2i è invertibile mod N) h = (a 2i a i )(b i b 2i ) 1 mod N P1 f P0 5 se P i P 2i allora i = i + 1

32 Il metodo Baby step-giant step P, Q come prima. Idea: h = N c + d con 0 c, d < N. = provare i valori di h passando in rassegna i valori di c e d CONTROMISURA: Scegliere N in modo che N sia un numero intrattabile di calcoli e di occupazione di memoria. COSTO: O( N) operazioni elementari e O( N) celle di memoria. Anche qua n = n/2 = 1 2 log N.

33 Il metodo Silver-Pohlig-Hellman P, Q come prima. N = t i=1 q i e i con q i primi e e i interi positivi ( i = 1,..., t) Idea: trovare h mod q e i i e utilizzare il Teorema Cinese dei Resti per ottenere h mod N. CONTROMISURA: Selezionare N primo o con un divisore primo molto grande

34 Il metodo Menezes, Okamoto, Vanstone (MOV) P, Q punti di una curva ellittica E/F q t.c. Q = kp N ordine di P (t.c. MCD(N, q) = 1) Idea: trovare un isomorfismo tra E e il gruppo moltiplicativo di un campo F q m estensione di F q, nel quale il DLP si risolve con un metodo subesponenziale chiamato Function Field Sieve. CONTROMISURA: Verificare che N non divida q s 1 per valori piccoli di s = Esclusione delle curve supersingolari COSTO: Costo subesponenziale in m.

35 Curve Anomale 1 Una curva ellittica E è attaccabile se c è un isomorfismo efficientemente calcolabile (e.c.) tra E e una somma diretta Z ni con n i piccoli. 2 Una curva ellittica E è attaccabile con attacchi di tipo index-calculus se c è un isomorfismo e.c. tra E e lo Jacobiano di una curva iperellittica di genere maggiore di 2. 3 Una curva ellittica E è attaccabile in tempi polinomiali se c è un isomorfismo e.c. tra la curva e (F q, +).

36 4. SCELTA DELLA CURVA

37 Scegliere la curva, sicurezza Come possiamo scegliere i parametri di una curva ellitica E per difenderci dagli attacchi generici e specifici? Attacco Pohlig-Hellman + Pollard ρ + Baby step Giant step Isomorfismo a (F q, +) MOV Isomorfismo allo Jacobiano Precauzione N deve avere un fattore r tale che r risulti essere un numero intrattabile di operazioni il fattore più grande di N deve essere diverso da q q s 1 mod r per s piccolo m primo o se m è composto bisogna scegliere una curva opportuna

38 Scegliere la curva, efficienza Possiamo scegliere i parametri i modo tale da migliorare l efficienza. Situazione Migliorare l efficienza Campi primi F p p primo, lunghezza in bit = multiplo della lunghezza word. p primo di Mersenne o simile Campi binari F 2 m m primo o m composto con opportuna curva OptimalExtensionField F p m Sconsigliati Coefficienti a = 3 o Curve con Endomorfismi Efficientemente Calcolabili

39 Scegliere la curva: Procedura Classica 1 Scelta del livello di sicurezza n (dove n è la dimensione in bit della cardinalità del gruppo generato dal punto base), tenendo conto che la sicurezza reale sarà però data da n = n/2. 2 Scelta del campo (caratteristica e cardinalità) 3 Scelta dei coefficienti della curva 4 Calcolo dell ordine della curva (algoritmi di tipo Schoof) 5 Controllo sulla resistenza agli attacchi 6 Scelta del punto base P (avente ordine primo grande)

40 Scegliere la curva, Procedura della Moltiplicazione Complessa Questo metodo permette di generare curve con ordine prefissato. E veloce per curve con un piccolo numero della classe, per le quali però si pensa possano essere scoperti nuovi attacchi specifici. 1 Scelta del livello di sicurezza n 2 Scelta del campo 3 Scelta dell ordine del punto base 4 Generazione dei coefficienti e di un punto base P

41 Molto importante è scegliere con cura la curva E e il punto P in modo da bilanciare sicurezza ed efficienza. Nelle implementazioni questo talvolta manca.

42 5. Accenno ad applicazioni di ECC

43 Vantaggi dell ECC : { EFFICIENZA SICUREZZA Incremento dell uso dell ECC in diversi prodotti Incorporazione dell ECDSA in svariati standard di sicurezza di governi e grandi istituzioni di ricerca

44 APPLICAZIONI COMMERCIALI crittografia CERTICOM per reti di sensori e sicurezza Voip comunicazioni Wireless con ECC (Texas Instruments) Standard industriali: IEEE, IETF, VPNC, ASC X9...

45 Cosa sono le smart cards? Piccoli dispositivi della forma e della grandezza di una carta di credito, ma molto flessibili... Usi più frequenti: carte di credito tickets elettronici carte d identità smart microchip integrato

46 Sicurezza e gestione delle chiavi... Generatore di chiavi interno = Eseguire crittazione e decrittazione, senza far uscire la chiave segreta... chiave generata, usata e distrutta senza alcuna possibilità di essere letta dall esterno = strumento di firma digitale

47 Prototipo di smart card basato su ECC I. Z. Berta e Z. Á. Mann, 2002: implementazione di un prototipo ECC basato sulla tecnologia Java Card e in grado di funzionare sulle smart cards... prodotto software = potrebbe non adempiere alle prestazioni richieste per l uso commerciale Obiettivo: dimostrare che un algoritmo complesso come l ECC può essere implementato sulle deboli smart cards

48 Altre applicazioni... Internet commercio elettronico: uso di smart cards ed ECC per transazioni sicure con carte di credito via web PDA (Personal Digital Assistant) potenza computazionale più elevata rispetto agli altri dispositivi mobili + larghezza di banda limitata PC proteggere dati e crittare messaggi o istantanei con l uso dell ECC